建筑結構“設計使用年限”的幾個問題討論

1　“設計使用年限”的起源與作用

從本世紀初開始，我國建設工程的設計文件中開始標注“設計使用年限”。這一概念起源于1997年4月1日我國頒布的《中華人民共和國建筑法》的第六十條：“建筑物在合理使用壽命內，必須確保地基基礎工程和主體結構的質量”。第六十二條關于建筑工程實行質量保修制度的規定：“建筑工程的保修范圍應當包括地基基礎工程、主體結構工程、屋面防水工程和其他土建工程，以及電氣管線、上下水管線的安裝工程，供熱、供冷系統工程等項目。保修的期限應當按照保證建筑物合理壽命年限內正常使用，維護使用者合法權益的原則確定。具體的保修范圍和最低保修期限由國務院規定?！备鶕摲ǖ囊幎?，國務院2000年頒布了《建設工程質量管理條例》(以下簡稱為《條例》)，在第四十條中明確規定：“在正常使用條件下建設工程最低保修期限為：

(一)基礎設施工程、房屋建筑的地基基礎工程和主體結構工程的最低保修期為設計文件規定的該工程的合理使用年限；

(二)屋面防水工程、有防水要求的衛生間、房間和外墻面的防滲漏，為5年；

(三)供熱與供冷系統，為2個采暖期、供冷期；

(四)電氣管線、給排水管道、設備安裝和裝修工程，為2年。

其他項目的保修期限由發包方與承包方約定。建設工程的保修期，自竣工驗收合格之日起計算?！?/p>

建筑物壽命是指從規劃、實施到使用、毀壞的全部時間。建筑物的合理使用壽命是指地基基礎、主體結構、建筑附件、建筑設備等不同類別的使用壽命期。在《條例》第四十條保修期的具體規定，我們不難看出，建筑附件、建筑設備的保修期限均在3-5年，說明它們的合理使用壽命較短，而基礎設施工程、房屋建筑的地基基礎工程和主體結構工程的合理使用年限應由設計文件規定。因為此類工程結構的使用壽命是其質量得以量化的集中表現，工程結構的實際使用年限或者說設計使用壽命應該是工程結構設計使用年限的預期目標。根據《混凝土耐久性設計規范》條文說明，建筑物的主體結構設計使用年限在量值上與建筑物的合理使用年限相同。建筑結構的設計使用年限雖然與合理使用年限源于相同的概念，但數值并不相同，合理使用年限是一個確定的期望值，而設計使用年限則必須考慮環境作用、材料性能等因素的變異性對于結構耐久性的影響，需要有足夠的保證率，這樣才能使所設計的建筑結構滿足《建筑法》中規定的“確保質量”要求。對于工程結構的設計使用年限的確定，設計人員應在工程設計前首先聽取業主和使用者對于工程合理使用壽命的要求，然后以合理壽命為目標，確定主體結構的設計使用年限。

2003年建設部修訂并頒布的《建筑設計文件編制深度規定》第3.5.2條中，要求建設結構設計文件必須明確“建筑結構的安全等級和設計使用年限、建筑抗震設防烈度和設防類別”。這是我國自1949年解放以后，第一次以部頒文件的形式對建筑工程清晰地提出了“設計使用年限”這一概念。

同時，相關的法律法規明確了在工程的“設計使用年限”內各方責任主體對工程質量應承擔的法律責任?！稐l例》第八十條：“在建筑物的合理使用壽命內，因建筑工程質量不合格受到損害的，有權向責任者要求賠償”。第四十一條中強調“建設工程在保修范圍和保修期限內發生質量問題的，施工單位應當履行保修義務，并對造成的損失承擔賠償責任?！钡谑艞l中規定：“勘察、設計單位必須按照工程建設強制性標準進行勘察、設計，并對其勘察、設計的質量負責?！笔苓^去計劃經濟年代長期影響，我國設計人員不太關注工程合理使用壽命，僅局限于照搬技術標準中的相關規定。自本世紀以來，我國開始重視建筑結構的合理使用壽命，在2001年版的《建筑結構可靠度設計統一標準》第1.0.5條以強制性條文的形式明確結構的設計使用年限(如下表)。

從法律法規和技術法規中的這些條文規定，建筑結構在“設計使用年限”內若達不到工程質量要求或非正常使用維護而造成的工程事故，與工程相關的人員是應當承擔起經濟賠償和法律責任的。

2　設計使用年限與設計基準期的區別

在我們的一些建筑工程設計中，采用上世紀80年代的相關技術規范，而在設計文件中表示的使用年限為50年，更有甚者將“設計使用年限”定為100年。假若在設計計算和設計構造中，按照《建筑結構可靠度統一標準》GB50068-2001(以下簡稱為《可靠度標準》)進行了調整，這種表述無可非議，但在不做任何調整的情況下采用這種表述，說明這些工程技術人員對“設計使用年限”與“設計基準期”這兩個概念的區別不清晰。

20世紀70年代，我國對建筑工程的使用壽命沒有提出具體規定，只有在相關標準中提到了設計基準期的概念，而且其基準期僅為30年。隨著我國市場經濟的發展和法律法規的不斷完善，建筑市場迫切需要明確建筑工程的使用年限。在我國2001版《可靠度標準》的修訂中，借鑒國際標準ISO 2394：1998《結構可靠度總原則》，提出了各種建筑結構的“設計使用年限”的概念，并明確了“設計使用年限”是設計規定的一個時期，在這一規定的時期內，只需進行正常的維護而不需要進行大修就能按預期目的使用，完成預定的功能。根據該定義，“設計使用年限”是結構在正常設計、正常施工、正常使用和維護下所達到的使用年限。

設計基準期則是為確定可變作用及與時間有關的材料性能等取值而選用的時間參數。建筑結構作用效應或荷載效應的設計參數，即施加在結構上的直接作用或者引起結構外加變形、約束變形的間接作用，如結構承受的人群、設備、車輛，以及施加于結構的風、雪、冰、土壓力、水壓力、溫度作用等。我國現行《建筑結構荷載規范》將荷載或作用分為三類，即永久荷載(恒載)、可變荷載(活載)和偶然荷載(特殊荷載)。其中，永久荷載在結構使用期間，其值不會隨時間變化而變化，但可變荷載和偶然荷載在結構使用期間，其值隨時間變化，特別是因自然條件引起的可變荷載和偶然荷載的標準值，它涉及到出現荷載最大值的時域問題，這個時域就是設計基準值。我國1987年版《荷載規范》所提供的可變荷載標準值設計基準期為30年，2001年版《荷載規范》所提供的可變荷載標準值為50年。一般情況下，基準期越長，發生最不利情況的概率就越大，可變荷載標準值必然提高。若按30年設計基準期的標準荷載取值作為設計依據，工程設計文件中標注的“設計使用年限”遠超過基準期，又未提高荷載取值，必然造成安全儲備降低。同時，“設計使用年限”遠超過設計基準期，不是結構不能使用，但結構構件的失效概率將快速增大。

同時，我國規范對荷載組合的處理上，由于理論分析上的困難，一般假定抗力為隨機變量，同時將多個荷載的組合效應近似簡化為極值隨機變量，這樣可使可靠度的計算最終歸結為隨機變量函數的概率計算，而且荷載效應組合也可作為獨立的問題進行研究。在這種情況下，假如荷載取值的安全儲備不高，甚至不在基準期內，那么必將導致組合后的荷載效應脫離實際效應，根據該組合得到的計算結果可能是錯誤的，甚

至在“設計使用年限”內存在安全隱患。上述采用30年一遇的最不利荷載取值，而其設計目標使用期卻為50年甚至100年，在“設計使用年限”內一旦遇上某種最不利情況下的自然災害，也可能破壞或倒塌。

隨著世界氣候的變化，近幾年來各種自然災害頻繁出現，導致房屋倒塌和破壞的事故時有發生。在我國被暴風吹垮、冰雪壓垮的房屋也不計其數。以2008年的南方冰災為例，當時的實際冰雪荷載遠超過《荷載規范》提供的標準值，有些甚至高達2倍以上。冰雪災害壓垮了數以萬計的房屋，但同一地區，有些房屋仍保持完好，而有些房屋遭到破壞和倒塌。在這些破壞和垮塌的房屋中，輕鋼結構最多，而輕鋼結構中，拱殼結構居多。這說明了一個問題，即建筑結構安全儲備的作用?；炷两Y構和砌體結構自重大，在計算時自重乘以荷載分項系數后的安全儲備可以平衡一部分超出的冰雪荷載，而輕鋼結構自重輕，即使乘以荷載系數也難以平衡所超出的冰雪荷載，故造成結構構件的倒塌破壞。這些罕遇災害造成房屋的倒塌，說明設計基準期內的設計參數是一個十分復雜的問題，存在較大的不確定性和不確知性，我國目前缺乏此類罕遇災害的數據記錄和積累。

因此現行規范中所提供的荷載標準值只是設計應用中必須把握的最低值，實際工程更需要設計人員結合工程的實際情況進行分析判斷，才能確保建筑結構在設計使用年限內的正常使用。在冰災中輕鋼結構破壞和倒塌嚴重的事實，更能告誡我們每一個從事建設工程的設計人員、施工人員應樹立起對建筑物全生命周期的安全度的考慮，熟悉和了解我國現行技術規范中條文的真正含義和所要達到的目標。

3　使用年限內的耐久性

上世紀80年代以前，無論我國的標準規范，還是設計、施工、使用各方都把重點放在了為滿足各種荷載作用下的結構強度要求上，而對環境因素作用下的耐久性考慮甚少。隨著我國經濟建設的飛速發展和以往工程建設因忽視耐久性問題而造成的慘痛教訓，特別是建筑工程中“設計使用年限”概念的提出。建筑結構與構件的耐久性問題，已是一個不可回避的事實。建筑結構的耐久性是“設計使用年限”內結構保持正常功能的重要因素之一，它與工程的使用壽命緊密相連。

本世紀以來，建筑界開始關注和重視建筑結構的耐久性問題。2008年頒布了我國第一部《混凝土結構耐久性設計規范》(GB／T 504762008)，同時，現行有關建筑結構的技術標準均增加了結構構件耐久性的內容，例如，2001年版的《混凝土結構設計規范》增加了耐久性要求的章節，并根據各類建筑結構“設計使用年限”作出了相應的規定。2001年版的《砌體結構設計規范》的修訂中，為提高砌體結構的耐久性，上調了砌體結構材料的最低強度等級。2008年版的《工業建筑防腐蝕設計規范》對建筑結構構件的防腐蝕措施要求更加嚴格。

但在我們實際工程的設計、施工中，對建筑結構耐久性問題的嚴重性和迫切性認識并非深刻。以民用建筑為例，如巖土勘察忽視土壤、地下水等腐蝕性的分析。即使巖土勘察做出了土壤、地下水對結構構件存在腐蝕作用的結論，而設計人仍未采取相應防腐措施。又如，混凝土結構的鋼筋保護層不按“設計使用年限”和使用環境的規定進行設計和施工，不到幾年，混凝土炭化、鋼筋銹蝕，更令人費解的是有不少的混凝土結構工程，結構構件出現可見裂縫的現象十分突出，特別是某些露天結構、地下結構修建不到幾年，裂縫四處可見，鋼材銹跡斑斑。但人們都在用一句“混凝土結構是帶縫工作的”的話搪塞著。工程院院士陳肇元教授在《完善標準、法規，確保建筑物的合理使用壽命》中提到“保護層與壽命的關系是平方的關系，保護層厚度減小1／2，鋼筋的壽命就會減小1／4”。保護層厚度對鋼筋壽命的影響如此之大。更不用說混凝土結構構件產生了超過一定寬度的裂縫，使得鋼筋壽命大幅度縮短，甚至可能導致結構喪失承載能力。再如，目前建筑節能的外墻保溫體系，不少人靠低標價承接工程項目，而采用偷工減料的方法施工，這必然導致保溫層的使用周期與建筑物全生命周期不一致等問題，從而影響建筑結構的耐久性安全。如此種種降低建筑結構耐久性的現象，使人不無憂慮。有專家估計，我國“大干”建設的浪潮還可延續10多年，由于忽視耐久性，迎接我們的還有“大修”20年的浪潮，這個浪潮可能不用很久時間就將到來，其耗費等同于當時工程建設的投資。

隨著世界氣候環境的惡化，我國遭受酸雨侵蝕的面積已超過國土面積的30％，廢氣、廢水在四處排放，下雪、冰凍無處不在對建筑結構產生腐蝕作用。同時，我們又處在住宅建筑私有化，人們法律意識不斷增強的大背景下，

“設計使用年限”內因耐久性問題引發的各種法律責任的追究終究會表露出來。我們工程設計人員應對建筑結構的耐久性引起高度關注，不要成為“買單者”。

4　“設計使用年限”內的適用性

在“設計使用年限”內，建筑結構保持正常工作能力，除它的安全性、耐久性外更多的應體現在它的適用性上。但當人們談到其適用性時，總認為是建筑的平面功能、交通功能、舒適功能等，卻忽視了建筑結構的適用性問題，當人們以專業的視覺去觀察我們現已使用的房屋建筑時，就不難尋找到因建筑結構的質量問題給房屋功能帶來的危害。以下將通過幾個例子加以說明。

例1　某商住樓，設計耐火等級為二級，《防火規范》要求樓面板耐火極限為1.0h，而設計的樓面板采用了預應力空心板，其耐火極限值僅為0.5h，在一次火災中，樓面板在很短時間被大火燒斷。造成房屋整體倒塌，傷亡慘重。

隨著我國城鎮化的推進，城市建筑在不斷的發展，火災也在頻繁地發生，嚴重威脅著人民的生命財產安全。我國現行的《防火規范》的指導思想十分明確，在火災發生時，一是要能保證受災人員在一定時間內逃離火災現場，二是保證消防人員可以進行有效的救援措施。因此在我國現行的設計防火規范中，將房屋建筑分為廠房(倉庫)、液體和氣體儲存庫、可燃材料堆場，民用建筑(多層建筑、高層建筑)幾大類，按建筑物重要性又將建筑分為四個耐火等級，即一級、二級、三級和四級。在我們的設計文件中一般要標注建筑物的耐火等級。在正常設計情況下，結構構件的燃燒性能和耐火極限應與其整個工程的耐火等級相匹配，這樣才能使房屋結構在火災情況下提供可靠的支撐空間。假若房屋發生火災后，房屋的主體結構在很短時間內就破壞倒塌，就沒有一定可供受災人員疏散和消防人員施救的時間。這說明該建筑不能達到預期的極端情況下的正常使用要求，同樣也不滿足在“設計使用年限”內的適用性要求。

在上述問題中，有不少二級耐火等級的商住樓采用了預應力空心板，其預應力板的保護層厚度僅為10mm，其耐火極限為0.4h，即使加上頂部抹灰20mm，其保護層厚度算30mm，耐火極限還只有0.85h，而規范規定的耐火極限為1.00h，兩者應有較大差距。水火無情，應引起我們每一位結構工程師的重視。

例2，樓梯梯口梁碰頭現象在不少公共建筑、住宅建筑中時有發生。由于作者個頭較高的原因，經常被同行所“害”，碰得暈頭轉向。倘若有一天，因此而造成人員傷亡的事故，設計者是應該承擔法律責任的。在我國現行的《民用建筑設計通則》第6.7.5條中規定：“樓梯平臺上部及下部過道處的凈高不應小于2m，梯段凈高不宜小于2.2m”。該條款列入了2003年版的強制性條文。雖然在2005年版的《通則》中沒有列入強制性條文，但規范條文中以不小于2m作為強制規定。我們的設計人員應從適用性角度去嚴格遵守。

例3　屋面、地下室的漏水現象突出。市面上有不少大篇幅、多視角的論述防水問題的專業著作、雜志論文，它們都說明了屋面、地下室等滲漏水現象會嚴重影響房屋建筑的正常使用功能。究其原因，不是我們現有技術不能解決，而是那些滲漏水的建筑工程在設計、施工或維護使用中的某個環節出現了質量問題。但凡滲漏水的混凝土結構工程，其結構或者構件一般存在可見裂縫，且裂縫的寬度和深度已超出了我們現行規范的規定。這些裂縫是質量問題的表現，應由相關責任方承擔其責任。

例4　建筑結構體系設計粗枝濫造，“亂栽柱、亂放梁”。有些業主為解決停車問題要修建多層地下車庫，而設計者只顧設計方便，柱網布置極不合理，使業主雖然投入大量資金，但可停車的數量卻不多，性價比極低。又例如有些設計人員缺乏精心設計，在住宅客廳的上方亂放大梁，使得客廳凈空不到2.3m，最后業主還不得不花錢把梁掩蓋起來。百年大計，設計人員應該要以嚴肅認真的態度對待設計中的每個細節，否則像上述問題既造成了資金的浪費，還嚴重影響了建筑物在“設計使用年限”內的基本功能。若按照相關法律，使用人應有權力進行法律追究。

在人們提倡“和諧社會”的今天，我們從事建筑結構的工程技術人員應考慮到建筑與環境的關系應以“人與自然共生”、“人與社會共生”作為基本出發點，除了確保建筑結構在設計使用年限內的安全性和耐久性外。同時應該高度重視建筑的適用性，體現國家、社會和民眾的根本利益。